L’explication du décalage vers le rouge des rayonnements
lointains s’est modifiée depuis les premières observations de Hubble. Au début, sous l'inspiration de
l'abbé Lemaître, il était interprété
comme un effet Doppler dû à la fuite des galaxies. On en fait plutôt maintenant une question
de raisins dans une pâte qui se lève et qui gonfle : l'expansion de l'univers serait dû à
l'étirement de l'espace et donc des longueurs d'onde des rayonnements le traversant ; et plus
longtemps un rayon lumineux a voyagé, plus il est étiré et plus il nous paraît rouge (1).
Cela paraît simple, mais soulève immédiatement une question.
(A)- Il n'y a pas a priori
de raison de limiter ce phénomène d’expansion. On ne peut
pas dire : l’espace seul s’est étiré et pas les particules qui le remplissent et qui, sommes toutes, sont
constituées de radiations. On doit donc admettre que ces particules
étaient plus petites dans le passé. Et comme elles produisent le rayonnement par leurs
interactions - les sauts d’orbites des électrons dans les atomes -, si ces orbites étaient
plus petites, on peut penser en première approche que les rayonnements furent émis avec
des longueurs d’onde plus courtes. D’où un décalage vers le bleu des émissions
anciennes, et d’autant plus qu’elles sont plus anciennes. Ce blueshift originel
doit exactement compenser le redshift attribué à l’expansion, et l’on ne devrait observer aucun
décalage. Pour sauver l’explication -du décalage des rayonnements vers le rouge par
l’étirement de l'espace-, il faut prouver que seuls l’espace et les
rayonnements se sont étirés et pas les particules. Il faut dire où s’arrête la pâte et
où commencent les raisins.
Dans un article récent (2) les auteurs ont tenté de préciser cette limite
en expliquant que les objets cohérents, comme les galaxies, ne sont pas sensibles à l'expansion de l'espace
car leurs composants sont maintenues par les forces gravitationnelles. Fort bien, mais cela entraîne de nouvelles questions :
(B)- Si l'espace s'étire, nous ne pouvons dire, ni si,
ni comment, la force gravitationnelle varie ; c'est quand même une propriété de l'espace. Cela laisse une
incertitude sur l'évolution des galaxies.
(C)- Et que dire pour la matière, inerte ou vivante, qui n'est pas maintenue par la force gravitationnelle
mais par la force électromagnétique ? On attribue à cette dernière force la même origine
que les radiations électromagnétiques, et si celles-ci sont sensibles à l'expansion
de l'espace, celle-là doit y être aussi. D'où des changements de dimensions à craindre aussi
de ce côté là.
(D)- En fait, les choses ne sont pas si simples, car
l’émission du rayonnement n’est pas forcément liée de façon linéaire aux dimensions de
l’émetteur. La formule de Balmer fixe le spectre d’émission des rayonnements :
ν = R(1/p2-1/n2),
où R = 2π2me4/ћ3.
Elle fait intervenir, outre les nombres
quantiques, les constantes e et h et la masse de l’électron m. Sans entrer dans les détails,
nous pouvons souligner :
- La force électromagnétique, e. Son rapport avec la force de
gravitation fait apparaître un grand nombre de l’ordre 10-39 ; ce qui donne à penser à
certains qu’elle est liée aux dimensions de l’univers (nombre de constituants ou
dimensions), donc qu’elle n’a pas toujours eu forcément la même valeur dans un univers
en évolution (CF la Théorie des Grands Nombres de Dirac).
- La masse de l’électron, m. La formule hν = m0c2 l’associe à une
fréquence, l’inverse d’une longueur d’onde qui a dû varier avec l’expansion de l’univers
comme les autres rayonnements.
- la vitesse de la lumière c. On pense qu’elle est constante toujours et partout dans l’univers.
Mais si l’espace s’étire, et avec lui les longueurs d’ondes des rayonnements, pour que c reste constant il faut que la
fréquence diminue dans la même proportion. En sommes-nous sûrs ? Absolument pas. La physique nous enseigne au contraire que
la vitesse de propagation d'ondes, y compris les ondes lumineuses, dépend pour beaucoup des conditions physiques du milieu, comme la
température, la densité etc. Lorsque l’on tend une corde de guitare par exemple, la propagation plus rapide de la vibration
entre les extrémités de la corde fait augmenter la fréquence, et donc la hauteur du son. Relever cela est du simple
bon sens de physicien, mais la constance de la vitesse de la
lumière est un postulat de la Relativité. Le mettre en doute, c’est mettre en doute la Relativité.
- la constante de structure fine. De plus, h, e et c sont les composants de la
constante de structure fine dont la valeur doit, selon certains scientifiques,
varier dans le temps. Ce que doivent faire aussi une ou plusieurs de ces constantes.
Tout cela fait que la théorie de l'expansion de l'espace est difficile à tenir.
Ses partisans ne peuvent affirmer, ni que le rayonnement a toujours été
émis aux longueurs d’onde que nous observons actuellement, ni, s'il a varié, qu’il l'a fait
en proportion directe des variations d'autres grandeurs de
l’univers: du fait que plusieurs constantes sont impliquées, il a pu suivre non linéairement l’expansion. Pour en dire plus
il leur faut analyser précisément la façon dont les valeurs citées plus haut – et peut-être d’autres – ont pu évoluer, ou prouver
qu’elles n’ont pas bougé.
L'explication du décalage vers le rouge des rayonnements par l'effet Doppler
ne pose pas tant de questions. Pour ma part, je serais plutôt en faveur d'un phénomène de vieillissement du rayonnement. Je ferai prochainement une page la dessus ; en attendant je renvoie au processus de formation des rayons lumineux.
(1)- (Craig J. Hogan and all- Revolution in Cosmology, in Scientific American magazine, January 1999).
(2)- (Charles Lineweaver and Tamara Davis in Pour La Science Avril 2005).
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